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医学超声的特点及设备分类
第1节医学超声的特点及设备分类医学超声学是一门将声学中的超声(ultrasound)学与医学应用结合起来形成的边缘科学,也是生物医学工程学中重要的组成部分。
振动与波的理论是它的理论基础。
医学超声学包括医学超声物理和医学超声工程两个方面,医学超声物理研究超声波在生物组织中的传播特性和规律;医学超声工程则是根据生物组织中超声传播的规律设计制造而用于医学诊断和治疗的设备。
超声医学影像仪器涉及到微电子技术、计算机技术、信息处理技术、声学技术及材料科学,是多学科边缘交叉的结晶,是理工医相互合作与相互渗透的结果。
迄今超声成像与X-CT、ECT及MRI已被公认为当代四大医学成像技术。
一、医学超声发展简史19世纪末至20世纪初,压电效应和逆压电效应相继被发现,由此揭开了超声技术发展的新篇章。
1912年,英国的Titanic号客轮在北美海岸附近航行时与冰山相撞而沉没,使数千名乘客随之丧生,酿成了震撼世界的大惨案。
1914~1918年第一次世界大战期间,法国舰队屡遭德国潜艇攻击而损失惨重。
这一件件历史事件驱使一些科学家开始致力于研究水下探测与定位技术。
1917年,法国科学家保罗²朗之万首次使用了主要由石英晶体制成的超声换能器,并发明了声纳(soundnavigationandranging,简称SONAR),即声探测与定位技术被成功地用于探测水下潜艇。
20世纪30年代,超声用于医学治疗和工业金属探伤,从而使超声治疗在医学超声中最先获得发展。
1942年,Dussik和Fircstone首先把工业超声探伤原理用于医学诊断。
用连续超声波诊断颅脑疾病。
1946年Fircstone等研究应用反射波方法进行医学超声诊断,提出了A型超声诊断技术原理。
1949年召开的第一次国际超声医学会议促进了医学超声的发展。
1958年,Hertz等首先用脉冲回声法诊断心脏疾病。
开始出现“M型超声心动图”,同时开始了B型两维成像原理的探索。
1955年Jaffe发现锆钛酸铅压电材料(PZT),这种人造压电材料性能良好,易于制造,极大地促进了工业和医学超声技术的进一步发展。
50年代末期,连续波和脉冲波多普勒(Doppler)技术以及超声显微镜问世。
在50年代,用脉冲反射法检查疾病获得了很大成功。
同时也为多普勒技术及B型二维成像奠定了基础。
1967年,实时B型超声成像仪问世,这是B型成像技术的重大进步,超声全息、阵列式换能器、电子聚焦等被广泛研究,这一期间,多普勒技术被进一步研究,用频谱分析法研究血流的方式问世,60年代末,美日均研制成功压电高分子聚合物PVF2(聚偏氟乙烯)换能器。
70年代,以B超显示为代表的超声诊断技术发展极为迅速,特别是数字扫描变换器与处理器(DSC与DSP)的出现,把B超显示技术推向了以计算机数字影像处理为主导的功能强、自动化程度高、影像质量好的新水平。
1980年,在美国,由于投入使用的超声成像仪数量开始超过X线机,结束了X线统治影像诊断的近百年历史,而宣称进入了“超声医学年”。
双功超声诊断仪及彩色血流成像仪相继被推出,多功能超声成像仪器与多种专用显像仪器竞相发展,超声探头结构及声束时空处理技术发展迅速。
机器更新换代日趋频繁。
90年代,医学超声影像设备向两极发展,一方面是价格低廉的便携式超声诊断仪大量进入市场,另一方面是向综合化、自动化、定量化和多功能等方向发展,介入超声、全数字化电脑超声成像、三维成像及超声组织定性不断取得进展,使整个超声诊断技术和设备呈现出持续发展的热潮。
在探头方面,新型材料、新式换能器不断推出,如高频探头、腔体探头、高密度探头
相继问世,进一步提高了超声诊断设备的档次与水平。
21世纪必将是医学超声技术蓬勃发展、日新月异的新世纪!
二、医学超声成像的特点目前,超声医学成像诊断仪的种类非常繁多,它们的突出特点是:
①对人体无损伤,这也是与X线诊断最主要的区别,因此特别适合于产科与婴幼儿的检查;②能方便地进行动态连续实时观察,在中档以上的超声诊断仪,多留有影像输出接口,使影像易于采用多种形式(录像、打印、感光成像、计算机存储等)留存及传输与交流;③由于它可以采用超声脉冲回声方法进行探查,所以特别适用于胸部脏器、心脏、眼科和妇产科的诊断,而对骨骼或含气体的脏器组织如肺部,则能较好地成像,这与常规X线的诊断特点恰恰可以互相弥补;④从信息量的对比上看,超声诊断仪采用的是计算机数字影像处理,目前较X线胶片记录的影像信息量和清晰度稍低。
三、超声医学影像设备分类超声医学影像设备根据其原理、任务和设备体系等,可以划分为很多类型。
1.以获取信息的空间分类
(1)一维信息设备如A型、M型、D型。
(2)二维信息设备如扇形扫查B型、线性扫查B型、凸阵扫查B型等。
(3)三维信息设备即立体超声设备。
2.按超声波形分类
(1)连续波超声设备如连续波超声多谱勒血流仪。
(2)脉冲波超声设备如A型、M型、B型超声诊断仪。
3.按利用的物理特性分类
(1)回波式超声诊断仪如A型、M型、B型、D型等。
(2)透射式超声诊断仪如超声显微镜及超声全息成像系统。
4.按医学超声设备体系分类
(1)A型超声诊断仪将产生超声脉冲的换能器置于人体表面某一点上,声束射入体内,由组织界面返回的信号幅值,显示于屏幕上,屏幕的横坐标表示超声波的传播时间,即探测深度,纵坐标则表示回波脉冲的幅度(amplitude),故称A型。
(2)M型超声诊断仪将A型方法获取的回波信息,用亮度调制方法,加于CRT阴极(或栅极)上,并在时间轴上加以展开,可获得界面运动(motion)的轨迹图,尤其适合于心脏等运动器官的检查。
(3)B型超声诊断仪又称B型超声断面显像仪,它用回波脉冲的幅度调制显示器亮度,而显示器的横坐标和纵坐标则与声速扫描的位置一一对应,从而形成一幅幅亮度(brightness)调制的超声断面影像。
故称B型。
B型超声诊断仪又可分为如下几类:
①扇形扫描B型超声诊断仪----包括高速机械扇形扫描、凸阵扇形扫描、相控阵扇形扫描等;②线性扫描B型超声诊断仪;③复合式B型超声诊断仪----它包括线性扫描与扇形扫描的复合以及A型、B型、D型等工作方式的复合,极大地增强了B型超声设备的功能。
(4)D型超声多普勒诊断仪利用多普勒效应,检测出人体内运动组织的信息,多普勒检测法又有连续波多普勒(CW)和脉冲多普勒(PW)之分。
(5)C型和F型超声成像仪C型探头移动及其同步扫描呈“Z”字形,显示的声像图与声束的方向垂直,即相当于X线断层像,F型是C型的一种曲面形式,由多个切面像构成一个曲面像,近似三维图像。
(6)超声全息诊断仪它沿引于光全息概念,应用两束超声波的干涉和衍射来获取超声波振幅和相位的信息,并用激光进行重现出振幅和相位。
(7)超声CT超声CT是X-CT理论的移植和发展,用超声波束代替X射线,并由透射
数据进行如同X-CT那样的影像重建,就成为超声CT,其优点:
①无放射线损伤;②能得到与X-CT及其它超声方法不同形式的诊断信息。
总之,随着医学进步和超声技术的发展,多种新型的医用超声设备将不断涌现。
本章将主要就A型、B型、D型等超声设备做一些简要的介绍。
第2节超声波的基础知识一、超声波的产生和特性1.超声波的产生物体的机械振动是产生波的源泉,波的频率取决于物体的振动频率。
频率范围在20~20000Hz内的波称为可听声波,频率范围在20~10-4Hz内的波称为次声波,频率范围在2³104~108Hz的波称为超声波,频率范围在108~1012Hz的波称为特超声波。
次声波、可听声波、超声波、特超声波统称声波。
可见,整个声波频谱是比较宽的,其中只有可听声波才能为人耳所听到,而次声、超声、特超声虽然属于声波却不能为人耳所察觉。
在自然界存在着多种多样的超声波,如某些昆虫和哺乳动物就能发出超声波,又如风声、海浪声、喷气飞机的噪声中都含有超声波成分。
在医学诊断上所使用的超声波是由压电晶体一类的材料制成的超声探头产生的。
眼科方面所使用的超声频率在5~15MHz范围内,心和腹部所使用的超声频率在2~10MHz范围内。
2.超声波的特性超声波和可听声波一样,也是一种机械波,它是由介质中的质点受到机械力的作用而发生周期性振动产生的。
依据质点振动方向与波的传播方向的关系,超声波亦有纵波和横波之分。
纵波是质点的振动方向与波的传播方向相同的波。
例如音叉在空气介质中振动所产生的声波,空气介质中的质点沿水平方向振动,振动的方向与声波的传播方向一致,传播时介质的质点发生疏密的变化,如图7-1(a)所示。
纵波可以在固体、液体、气体介质中传播。
图7-1波动传播的2种主要形式——纵波与横波横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波。
一个典型的例子便是如图7-1(b)所示的软绳上的波,我们不妨把软绳看成密集质点的集合,如果不断地摆动软绳的一头,则一系列的横向振动的波就由绳子的左端向右端移去,而绳上各质点并不随波的传播方向移去,只是在各自的平衡位置附近作横向(剪切形式)的振动。
横波不能在液体及气体介质中传播,这是因为液体和气体无切变弹性。
由超声诊断仪所发射的超声波,在人体组织中是以纵波的方式传播的。
就是因为人体软组织基本无切变弹性,横波在人体组织中不能传播。
与普通声波(可闻波)相比,超声波具有许多特性,其中最突出的有:
①由于超声波的频率高,因而波长很短,它可以像光线那样沿直线传播,使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波;②由超声波所引起的媒质微粒的振动,即使振幅很小,加速度也非常大,因此可以产生很大的力量。
超声波的这些特性,使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。
例如,我们可以利用超声波来测量海底的深度和探索鱼群、暗礁、潜水艇等。
在工业上,则可以用超声波来检验金属内部的气泡、伤痕、裂隙等缺陷。
在医学领域则可以用超声波来灭菌、清洗,更重要的用途是做成各种超声波治疗和诊断仪器。
二、超声波的物理量1.声速声波在介质中单位时间内传播的距离,称为声速。
用符号c表示,单位为m/
s(米/秒)。
声波的传播过程实质上是能量的传递过程,它不仅需要一定时间,而且其传递速度的快慢还与介质的密度及弹性、介质的特性以及波动的类型有关。
对于纵向传播的平面波,其声速为式中:
ρ为介质密度;k为介质的体积弹性模量。
又由于弹性模量与温度有关,因而声速还受温度的影响。
例如,空气的温度在0℃时,声速为332m/s,气温每升高1℃,则声速增加0.6m/s,至15℃时,则为341m/s。
表7-1给出了在人体组织器官中和与超声诊断有关的介质中的声速。
表7-1在有关介质中的超声速度介质传播速度(m/s)介质传播速度(m/s)空气(0℃)332肾脏1560石蜡油(33.5℃)1420肝脏1570海水(30℃)1545头颅骨3360生理盐水1534巩膜1604人体软组织(平均值)1540角膜1550血液1570房水1532脑组织
1540水晶体1641脂肪1476玻璃体1532肌肉(平均值)15682.周期和频率介质中的质点在平衡位置往返振动1次所需要的时间叫周期,用T表示,单位是秒(s);在1s的时间内完成振动的次数称为频率,用f表示,单位为周/s,又称作Hz(Hz)。
周期与频率成互为倒数关系,以下式表示:
图7-2波长与振幅f=1/T超声诊断常用的频率范围在0.8~15MHz之间,而最常用的为2.5~10(MHz)。
3.波长在一个周期内,声波所传播的距离就是一个波长,用λ表示。
对于纵波,等于两相邻密集点(或稀疏点)间的距离,如图7-2(a)所示;对于横波,则是从一个波峰(或波谷)到相邻波峰(波谷)的距离,如图7-2(b)所示。
波长λ、声速c与频率f之间满足以下关系:
λ=c/f频率和波长在超声成像中是2个极为重要的参数,波长决定了成像的极限分辨率,而频率则决定了可成像的组织深度。
表7-2给出了医学超声诊断常用的几种超声波频率与其波长、周期和极限分辨力的关系。
表7-2波长、周期与极限分辨力之间的关系频率(MHz)波长(mm)周期(μs)极限分辨力(mm)11.510.75
20.750.50.3752.50.60.40.330.50.330.253.50.430.290.2250.30.130.17.50.20.130.1100.150.10.075150.10.060.05注:
取超声波在人体中传播的平均声速c=1540mm/s作为换算标准
4.声压纵波在弹性媒质内传播过程中,媒质质点的压强是随时间变化的,媒质质点的密度时疏时密,从而使平衡区的压力时强时弱,结果导致有波动时压强(PW)与无波动时压强(PO)之间有一定额压强差(PW-PO),这一波动压强称为声压。
对于一无吸收媒质的平面波,有波动时压强的最大值与没有波动作用时各点压强的差值称为压强振幅(Pm),它可由下式确定:
Pm=ρcVm即:
声压振幅Pm与媒质密度ρ、质点运动速度的最大值Vm及波速c成正比。
声压有效值为:
5.声强声强是表示声的客观强弱的物理量,它用每秒钟通过垂直于声波传播方向的1平方厘米面积的能量来度量,它的单位是焦耳/(秒²平方厘米)[J/(s²cm2)]。
声强与声源的振幅有关,振幅越大,声强也越大;振幅越小,声强也越小。
当声源发出的声波向各个方向传播时,其声强将随着距离的增大而逐渐减弱。
这是由于声源在单位时间内发出的能量是一定的,离开声源的距离越远,能量的分布面也越大,因此通过单位面积的能量就越小。
基于这一原理,在超声诊断探头发射超声时,必须考虑波束的聚焦,它可以减小声能的分散,使声能向一个比较集中的方向传播,因而可以增加诊断探测的深度。
6.声阻抗率声阻抗率是描述声波传播弹性媒质的一个重要物理量。
对于各向同性的均匀媒质中无衰减的平面自由行波来说,媒质中某点有效声压P与振动质点速度有效值V之比称为声阻抗率,它用Zs表示:
Zs=P/V=ρc实际上,声压与质点振速不一定同相位,所以声阻抗率是2个同频率、但不同相的余弦量的比值,并不是一个恒量。
对于无衰减的平面行波,声压和振速可视为同相,媒质各点的声阻抗率是同一个恒量ρc,对一定频率的声波来说,它只决定于媒质密度ρ和波速c的乘积。
声阻抗率和电学中一个无限长、无损耗传输线的特性阻抗相似,其中声压相当于电压,振速相当于电流强度,声阻抗率相当于电阻。
通常声阻抗率是一个复数,其实部称为声阻率,虚部称为声抗率。
人体正常组织的声阻抗率的平均值约为1.5³106牛顿²秒/米3(N²s/m3),而与超声测量有关材料的密度和声阻抗率则如表7-3所示。
表7-3几种物质及人体组织的声阻抗率介质密度(g/cm3)声阻抗率(³106N²s/m3)空气(0℃)0.001290.000428水(37℃)0.99341.513
生理盐水(37℃)1.0021.537石蜡油(33.5℃)0.8351.186血液1.0551.656脑脊水1.0001.522羊水1.0131.493肝脏1.0501.648肌肉(平均值)1.0741.684软组织(平均值)1.0161.524脂肪0.9551.410颅骨1.6585.570水晶体1.1361.874
三、生物组织与超声波之间的相互影响1.生物组织对超声的衰减当超声波在生物组织中传播时,作为传播介质的生物组织对超声的衰减机制是十分复杂的。
除组织对超声波的反射、散射等引起的能量的分散之外,组织对超声能量的吸收而造成的衰减亦不可忽视。
在生物组织中,造成吸收衰减的内在原因主要有介质质点的粘滞性、导热系数和温度等因素,而这些因素造成对超声衰减的大小又与超声的频率有关,超声衰减在人体中与传播距离成正比。
超声传播到其强度减弱一半的距离叫半价层,因此,可以用半价层来表明生物组织吸收的大小。
人体组织、器官的超声半价层如表7-4所示。
表7-4人体组织、器官的超声半价值组织器官半价值(cm)超声频率(MHz)血浆1001.0血液351.0脂肪6.90.8肌肉3.60.8脑(固定标本)2.50.87肝(死后20h)2.41.0颅骨0.230.8
肾1.32.4腹壁(连腹肌)4.91.5由表7-4可见,血液的半价层最大,这说明血液对超声的衰减最小。
在人体中,不同的组织由于具有不同的介质密度和性质,也往往表现出对超声不同的衰减系数。
实测结果表明,人体中血液和眼球玻璃体液吸收声能最小,肌肉组织吸收稍强,纤维组织及软骨吸收声能较大,而骨骼对超声的吸收最大。
表7-5列出了人体主要组织成分对不同频率超声的衰减系数。
表7-5人体主要组织成分对不同频率超声的衰减系数人体组织衰减系数(dB²cm-1²MHz-1)频率范围(MHz)眼球玻璃体液0.106~30血液0.1810脂肪0.630.8~7.0延髓(顺纤维)0.801.7~3.4脑组织0.850.9~3.4肝脏0.940.3~3.4
肾脏1.000.3~4.5脊髓1.001.0肌肉(顺纤维)1.300.8~4.5颅骨20.001.6肺41.001.0由于超声在人体中的衰减与超声频率有关,因此,研究超声衰减与频率的关系,对超声仪器的设计和使用都颇具意义。
实验结果表明,在1~15MHz超声频率范围内,人体组织对超声波的吸收衰减系数几乎与频率成正比。
人体软组织对超声的平均衰减系数约为0.81dB²cm-1²MHz-1,其含义是超声波频率每增加1MHz或超声传播距离每增加1cm,则组织对超声的衰减增加0.81dB。
因此,对一个3MHz声束,当其在人体软组织中传播10cm时,则声强衰减可达:
0.81dB²cm-1²MHz-1³3MHz³10cm=24.3dB而当频率升高到10MHz时,传播相同的距离所导致的声强衰减将达:
0.81dB²cm-1²MHz-1³10MHz³10cm=81dB这就说明频率的因素甚为重要。
因此,根据探查部位的组织不同和深度不同,合理选择使用探头的频率,对诊断效果将有较大影响。
2.超声波的反射、折射与透射超声波在人体组织内传播不仅有衰减,同时还存在着反射、折射与透射现象。
在人体均质性组织内传播时,超声波只沿其传播方向前进,此时不存在反射、折射问题。
如果超声波在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织,由于两种组织声阻抗的不同,在声阻抗改变的分界面上便会产生反射、折射与透射,见图7-3。
图7-3超声在不同介质中的反射、入射与折射原介质中的超声波称为入射波,在分界面处入射波的能量一部分将产生反射,另一部分能量将通过界面后继续传播,这就是透射。
透射的超声波传播方向与入射波的传播方向不同,因而这部分透射过的超声波又称折射波。
入射波与界面法线的夹角叫入射角θ1,反射波与界面法线的夹角叫反射角θ1′,入射角与反射角是相等的,即θ1=θ1'。
这被称作超声波的反射定律。
若入射波与界面是垂直的,则反射波即按入射波方向反射,故可以在超声波诊断仪器中用一个探头,既发射超声波又接收反射波(回波)。
折射波与界面法线的夹角称为折射角θ2,入射角θ1的正弦与折射角θ2的正弦之比,等于入射波在介质1中的声速c1与折射波在介质2中的声速c2之比(sinθ1/sinθ2=c1/c2),这被称作超声波的折射定律。
若入射波与界面垂直,透过界面的超声波的传播方向与入射波方向一致,即不产生折射。
反射波的能量除取决于两种介质的声阻抗差别外,还取决于界面的大小,反射界面越大,反射波的能量也越强,当反射界面的尺寸远小于超声波波长λ时,可以认为不产生反射。
当被探查的人体组织结构很小,与入射超声波的波长相差不多时,会产生波的衍射现象。
当被探查的组织结构小于入射波波长时,就会产生波的散射。
3.超声波的生物效应超声波是一种依靠介质来传播的声波,它具有机械能,因此,在传播的过程中将不可避免地和介质相互作用,产生各种效应。
比如声波能量作用于介质,会引起质点高频振动,产生速度、加速度、声压和声强等力学量的改变,从而引起机械效应;由于介质对超声能量的吸收,将使介质温度升高,从而引起热效应;当超声波作用于液体时,会使液体内部压力发生变化,产生压力或拉力,当拉力达到一定强度,可以使液体分子断裂,产生近于真空的空穴,引起所谓空穴效应(也称空化效应)等。
当超声作用于生物组织时,以上提到的各种物理效应同样存在,因而会对生物组织产生某些生物效应。
比如,由于生物组织的粘滞性而造成的吸收,将使一部分声能转化为热能,使生物组织产生温升,当超声能量达到一定强度的时候,除产生热效应外,空化效应的结果还可能使组织细胞产生破坏性形变。
因此,虽然目前普遍地认为超声对人体的危害甚微,但诊断用超声剂量并不被认为是越大越好。
一般接受的剂量应小于安全剂量50焦耳/平方厘米(J/cm2),并且最大照射强度低于100mW/cm2。
然而,超声能终归是一种机械能,它不同于各种有损射线,所以,利用超声波所实现的各种检查治疗手段,应该说是比较安全的。
第3节医用超声探头一、压电换能器超声诊断仪是通过探头产生入射超声波(发射波)和接收反射超声波(回波)的,它是诊断设备的重要部件。
高频电能激励探头中的晶体产生机械振动,反射超声波的机械振动又可以通过探头转换为电脉冲。
也就是说探头能将电能转换成声能,又能够将声能转换成电能,所以探头又称做超声换能器。
其原理来自于晶体的压电效应。
1.压电效应压电效应泛指晶体处于弹性介质中所具有的一种声-电可逆特性,此现象为法国物理学者居里兄弟于1880年所发现,故也称居里效应(图7-4)。
图7-4晶体的压电效应具有压电效应性质的晶体,称为压电晶体。
目前常用于超声探头的晶体片有锆酸铅、钛酸钡、石英、硫酸锂等人工或天然晶体。
钛酸钡及锆酸铅是在高温下烧结的多晶陶瓷体,把毛坯烧结成陶瓷体后,经过适当的研磨修整,得到所需的几何尺寸,再用高压直流电场极化后,就具有压电性质,成为换能器件。
(1)正压电效应在晶体或陶瓷的一
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